如何選擇正確的直角坐標機器人
作者：李剛
職務：沈陽萊茵機電有限公司總經理
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產品：德國BergerLahr公司和Roboworker公司中國總代理
一直角坐標機器人的定義及主要特點
機器人按ISO 8373定義為：位置可以固定或移動，能夠實現自動控制、可重復編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個或3個以上自由度內可編程的工業自動化設備。這里自由度就是指可運動或轉動的軸。直角坐標機器人是以直線運動軸為主，各個運動軸通常對應直角坐標系中的X軸，Y軸和Z軸。在絕大多數情況下直角坐標機器人的各個直線運動軸間的夾角為直角。
直角坐標機器人主要由一些直線運動單元，驅動電機，控制系統和末端操作器組成。針對不同的應用，可以方便快速組合成不同維數，不同行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門式或倒掛式等各種形式的直角坐標機器人。從簡單的二維機器人到復雜的五維機器人就有上百種結構形式的成功應用案例。從食品生產到汽車裝配等各行各業的自動化生產線中，都有各式各樣的多臺直角坐標機器人和其它設備嚴格同步協調工作。可以說直角坐標機器人幾乎能勝任幾乎所有的工業自動化任務。下面是其主要特點：
1任意組合成各種結構樣式，帶載能力和尺寸的機器人。
2采用多根直線運動單元級連和齒輪齒條傳動，可以形成幾十米的超大行程機器人。
3采用多根直線運動單元平連或帶多滑塊結構時其負載能力可增加到數噸。
4 其大運行速度可達到每秒8米，加速度可達到每秒4米。
5 重復定位精度可達到0.05mm~0.01mm。
6 采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數控系統能完成非常復雜軌跡的工作。
沈陽萊茵機電有限公司從1995年以來代理銷售德國百格拉公司的直角坐標機器人，配合不同行業的用戶成功地解決了他們的自動化任務。在這10多年中公司派人到德國百格拉公司培訓4次，每次1周時間，德國百格拉公司的技術人員也到中國來幫助培訓我公司的員工，還到如深圳新松公司等用戶處進行培訓和編程等服務。從了解任務，選擇設計機器人，到用戶處安裝調試直到達到設計要求，我們不斷積累經驗，提高服務能力，下面就介紹如何選擇合適的直角坐標機器人。
二、直角坐標機器人的選型
1 使用要求分析
對于選型的人員首先要有物理運動學基礎，材料力學基礎，伺服驅動使用和數控系統的應用經驗，但主要是把問題和要求等介紹很清楚。對于簡單任務和有經驗的工程師通過電話和郵件就可以溝通好，而對復雜的任務要到現場雙方共同分析和制定任務描述，給出具體合理的要求。下面是主要的數據和信息：
機器人的工作任務，
手抓和負載的總重量，
一個完整的工作周期是多少秒，可能分解成的子運動及對應的時間，
運動和取抓過程中與其它設備的同步/握手要求，
各個運動軸的有效運動長度及允許的大運行速度，
機器人工作周圍空間上的限制，
使用環境有粉末，高溫，濕度等特殊防護要求，
2 機器人結構形式選擇
根據前面“使用要求分析”中獲得的信息資料來選擇機器人的結構形式。原則上盡可能選擇龍門式直角坐標機器人，但有時受工作空間限制必須選擇懸臂式。在食品搬運和玻璃切割等項目中會產生大量粉末,傷害運動軸里面的導軌，此時好采用吊掛式機器人。有時根據負載及運動距離和空間限制必須選用掛臂式。根據機器人的工作任務來確定負載的運動位置精度要求，要考慮減速時晃動產生的位置誤差。根據機器人的工作任務及其工作空間上的限制來確定運動軸數量及各自運動行程。
3 規劃運動軌跡及計算運動速度
根據機器人的工作任務和空間限制來規劃運動軌跡。盡可能減少運動距離，對工作周期要求嚴的應用要盡可能運用多軸同時運動來減少運動時間和降低運動速度。抓取負載后運動速度要低，空載返回原始點時要快。負載大時加速度和減速度要小，盡可能避免產生巨大的沖擊力。根據上面的原則給出各段運動的速度，加速度和減速度。各個運動段間盡可能平穩變速以保證工作周期,減少沖擊力和運行噪音。在運動速度分配時要充分考慮各個運動過程與其它設備間的同步協調時間，而且規劃的運動時間要比用戶要求的時間短些。
4 受力分析
根據速度分析得出各個軸的大加速度和減速度。然后再計算出多軸同時運動時產生的合成大減速度。選擇獨立運動的減速度和同時運動時合成減速度二者中大的減速度，根據這個大的減速度計算出XYZ三個方向的大沖擊力Fx,Fy和Fz及產生的大扭曲力矩Mx, My和Mz。在計算不同軸扭曲力矩Mx,My和Mz時要考慮等效負載的重心位置，總重力和減速時產生的沖擊力。
5 變形分析
繞度形變僅在大跨度懸空方式下，而且受力很大的情況下才發生。其繞度形變量的計算方法見下面的公式。但Z軸和X軸的安裝方式保證了本公司機器人沒有繞度形變發生或繞度形變極其微小可以忽略不計。
f =(F×L3)/(E×I×192)
f：撓度形變 (mm) f≤ 1 mm
F：負載壓力 (N)
L：導軌長度 (mm)
E：彈性模量(70,000N/mm2)
I：面積平方（mm4）
在很多任務中可以允許在運動中有一定量的變形，但在玻璃切割機等數控設備類的應用中是不允許產生變形的。為此我們要根據前面求出的大力來查看各種型號運動軸的變形量曲線。必要時可以選擇加強性，加加強板等，詳情請與沈陽百格機器人公司聯系。
6 選擇驅動電機
根據直線定位單元驅動軸的高轉速來選擇驅動電機。當驅動軸的高轉速低于600轉/分時通常選用步進電機，否則要選用交流伺服電機。但交流伺服電機的高轉速不要超過3000轉/分，否則影響其壽命。當選用步進電機做驅動軸時，其負載的轉動慣量與步進電機的轉動慣量比要小于12，當選用伺服電機做驅動軸時，其負載的轉動慣量與伺服電機的轉動慣量比要小于8，否則影響其高動態特性。但轉動慣量比大于上面的數值時，要加德國扭卡特公司的精密行星減速機。在不超過驅動電機高轉速限制情況下，要盡量選擇大減速比的減速機。為了保證高的動態特性，保證在約定的時間內完成任務，驅動電機的大出力要比理論計算值至少高出85%。我們通常所選擇的驅動電機的大出力要比理論計算值至少高出100%，而轉動慣量比要小于5。還要考慮所選擇的伺服電機能與德國扭卡特公司的精密行星減速機匹配，減速機要能安裝到驅動軸上，及電機的控制方式與數控系統相配合。有關驅動電機和減速機的詳細技術數據和使用注意事項請與沈陽百格機器人公司聯系。
7 確定機器人的結構及各個運動軸
根據上面6個方面的信息和數據就可以終選定機器人的結構形式及每個運動軸的具體型號和長度等，通常我們能從圖片庫中找出同樣結構的照片，這里的照片是指CAD圖或以往用戶機器人的照片。還要設計好各個軸間的連接板，不僅要考慮機械方面的裝配配合精度，材料的物理強度，連接螺絲桿的拉力等，更要考慮在主要受沖擊方向加大加強連接板，必要時增加連接板。主要螺絲桿和螺絲帽要加膠，以防長期振動后變松動。
機器人在加速和減速時會產生強大的沖擊力，而且通常每天要工作24小時，所以機器人必須被牢固地安裝在支架上。機器人的支架要有足夠的抗沖擊力，要有地腳，以保證在長期高速高動態運動沖擊下，沒有任何晃動。此外在安裝時要保證運動軸間的平行度、平面度和垂直度。
8，選擇末端操作器——手爪系統
根據其具體應用情況，其手爪系統可能是氣動吸盤，氣動夾取手爪，電動夾取手爪，電磁吸取手爪，焊槍，膠槍，專用工具和檢測儀器等。在很多場合可以一次抓取多個工件。
9 選擇控制系統
機器人要在一定時間內完成特定的任務，比如每10秒內完成一次搬運工作。在完成抓取，加減速運動，高速運動，釋放工件等同時，還要與相關的設備通過通訊或I/O口實現一些時序上的協調同步。在涂膠應用上，各個運動軸要完成直線和圓弧插補運動。因此其數控系統要按具體應用要求來選定其控制軸數，I/O口數量和軟件功能。通常選用數控系統，PLC，工控機加運動控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅動電機。對于很多任務我們選擇德國Engelhardt公司的數控系統, 對于負載任務我們選擇德國Movtec公司的運動控制卡。有關上面兩種數控系統的詳細資料請與沈陽百格機器人公司索取。
10技術協議
每臺機器人都有運行速度，重服定位精度和各種特定功能等技術要求，在簽合同時務必要簽訂技術協議，驗收內容和驗收方式等。要學會機器人的保養。有關機器人的保養資料請與沈陽百格機器人公司聯系。
上面的內容是本人12年來從事直角坐標機器人方面工作所積累的一些經驗，由于時間倉促不夠詳細，歡迎感興趣的朋友來一起探討，共同推動直角坐標機器人在國內各行業的應用。